高延性FRP加固RC矩形柱抗震性能

白玉磊，楊 凱，韓 強(qiáng)，于 輝，張玉峰, 孟慶利

(1.城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京工業(yè)大學(xué))，北京 100124；2.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056004；3.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

鋼筋混凝土(reinforced concrete，RC)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域。在地震災(zāi)害下，大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因?yàn)槿狈ψ銐虻暮哪苣芰把有远a(chǎn)生嚴(yán)重破壞甚至發(fā)生倒塌。這些發(fā)生破壞的RC結(jié)構(gòu)大多采用舊規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)建造，其箍筋配筋率較小，抗剪切能力及延性較差，抗震性能明顯不足，加上自然和荷載作用下結(jié)構(gòu)的劣化，使結(jié)構(gòu)抗震性能已不能滿足現(xiàn)行規(guī)范抗震要求，亟需進(jìn)行抗震加固。

近年來(lái)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer, FRP)由于其耐腐蝕性能好、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐疲勞性能好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在RC結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中外包FRP加固方法因其施工簡(jiǎn)單和快速高效、加固后幾乎不對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加荷載、不影響結(jié)構(gòu)外觀等特點(diǎn)，被認(rèn)為是RC結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震修復(fù)的一種經(jīng)濟(jì)高效的措施[1-3]。傳統(tǒng)的FRP材料包括碳纖維(carbon FRP，CFRP)，玻璃纖維(glass FRP，GFRP)，芳綸纖維(aramid FRP，AFRP)等，是一種低斷裂應(yīng)變(1.5%～2%)的線彈性材料，耗能能力低且破壞時(shí)沒(méi)有明顯預(yù)兆，在常見(jiàn)的矩形柱的抗震加固中效果不理想，甚至發(fā)生脆性破壞。近年，出現(xiàn)了一種由聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate，PEN)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)纖維制成的新型高延性FRP(large-rupture-strain FRP，LRS FRP)，這種材料具有較大的拉伸斷裂應(yīng)變(5%以上)[4-5]。已有研究表明，由于高延性的特性，LRS FRP加固的橋墩在獲得很大延性的情況下(大于10倍屈服位移)，盡管塑性鉸區(qū)混凝土鼓脹和鋼筋屈曲明顯，LRS FRP仍然沒(méi)有斷裂，避免了脆性破壞發(fā)生的可能性，在抗震修復(fù)中具有極大的優(yōu)越性[6-12]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)的FRP加固鋼筋混凝土墩柱進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究，但對(duì)高延性FRP約束墩柱的抗震性能研究較少。其中，Anggawidjaja等[13]對(duì)LRS FRP約束RC方柱進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)LRS FRP在柱的極限狀態(tài)下沒(méi)有破裂，展示了高延性FRP在抗震加固中不易發(fā)生脆性斷裂破壞的優(yōu)勢(shì)。Dai等[14]也在試驗(yàn)中證明了這一點(diǎn)。鄭松彬[15]將高延性FRP與纖維水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites，ECC)兩者結(jié)合進(jìn)行了抗震試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，與普通鋼筋混凝土柱相比，F(xiàn)RP約束塑性鉸區(qū)ECC結(jié)構(gòu)柱在抗震性能上有十分顯著的提升。此外一些學(xué)者也對(duì)高延性FRP加固銹蝕鋼筋混凝土墩柱進(jìn)行了一系列的抗震試驗(yàn)研究[16-20]。以上研究大多都集中于高延性FRP對(duì)普通或銹蝕鋼筋混凝土柱的抗震加固上，對(duì)高延性FRP加固箍筋配筋率較小的老舊非延性RC方柱的抗震性能研究較少。因此，研究高延性FRP加固非延性RC柱的抗震性能具有重要的意義。

本文對(duì)6個(gè)FRP加固RC方柱和1個(gè)對(duì)比柱進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)。通過(guò)分析試件的破壞形態(tài)、抗震性能參數(shù)和FRP應(yīng)變，研究了FRP種類和加固層數(shù)對(duì)其破壞形態(tài)和抗震性能的影響，并通過(guò)OpenSees有限元分析對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了課題組前期發(fā)展的高延性FRP約束混凝土模型的適用性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

圖1 墩柱配筋(mm)

對(duì)試件進(jìn)行FRP加固的過(guò)程嚴(yán)格按照CECS 146:2003《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[21]完成。加固柱FRP設(shè)置500 mm(柱周長(zhǎng)的一半)的重疊區(qū),試件基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試件參數(shù)詳情

1.2 材料特性

1.2.1 混凝土和鋼筋

混凝土立方體28 d抗壓強(qiáng)度為32.0 MPa。其中試件縱筋和箍筋均為HRB400，材料力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鋼筋力學(xué)性能參數(shù)

1.2.2 FRP

試驗(yàn)中所用FRP布種類有CFRP、PEN FRP和PET FRP。CFRP由北京卡本工程有限公司生產(chǎn)，PEN FRP和PET FRP由日本Maeda Kosen公司生產(chǎn)。采用的膠體由上海三悠樹(shù)脂有限公司生產(chǎn)。由ASTM 標(biāo)準(zhǔn)(ASTM D3039/D3039M-14)[22]，對(duì)CFRP、PEN FRP和PET FRP進(jìn)行了平板拉伸試驗(yàn)。材料力學(xué)性能見(jiàn)表3。不同F(xiàn)RP的本構(gòu)關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

圖3 FRP拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3 纖維布力學(xué)參數(shù)

1.3 加載制度與測(cè)點(diǎn)布置

1.3.1 加載制度

試驗(yàn)在北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，其中軸向荷載通過(guò)1 000 kN的液壓千斤頂施加，水平荷載通過(guò)500 kN的水平液壓千斤頂施加。每個(gè)試件在試驗(yàn)開(kāi)始前均要預(yù)先施加軸壓比大小為0.2的軸壓荷載并保持恒定。采用力、位移混合控制加載方法，進(jìn)行分級(jí)加載，每級(jí)循環(huán)1次。在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)先采用荷載控制來(lái)確定加載試件的縱筋屈服時(shí)的位移Δy；試件屈服后采用控制位移的方式按屈服位移的倍數(shù)進(jìn)行逐級(jí)加載，直至試件完全破壞，或其水平承載力下降到極限承載力的85%，試驗(yàn)結(jié)束。加載裝置見(jiàn)圖4。

圖4 加載裝置

1.3.2 測(cè)點(diǎn)布置

在水平位移加載點(diǎn)處布置拉線位移計(jì)來(lái)測(cè)量試件的水平位移。澆筑混凝土前在距離墩底150、300、450 mm高度處提前預(yù)埋螺桿，用來(lái)架設(shè)位移計(jì)以測(cè)量試件的曲率。在塑性鉸區(qū)兩個(gè)箍筋中間高度的縱筋內(nèi)、外各貼1個(gè)應(yīng)變片，并在箍筋上布置2個(gè)應(yīng)變片，記錄鋼筋在加載過(guò)程中的應(yīng)變發(fā)展。在FRP上距柱底100 mm高度環(huán)向粘貼了6個(gè)應(yīng)變片，與FRP重疊區(qū)的距離依次為0、125、208、291、375、500 mm。具體布置見(jiàn)圖5。

圖5 FRP布及鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置(mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞形態(tài)

對(duì)于未加固柱(FRP-0)，其破壞形式如下：試件屈服前，當(dāng)水平荷載到達(dá)30 kN時(shí)，在試件距離墩底大約30 mm高度處出現(xiàn)橫向微裂縫；水平位移到達(dá)1Δy(位移9.8 mm)時(shí)，在150 mm高度處產(chǎn)生水平裂縫，隨著試件側(cè)向位移的持續(xù)增加，原有裂縫逐漸加寬；試件側(cè)向位移到達(dá)3Δy(位移29.4 mm)時(shí)，在距離柱子根部50 mm范圍左右產(chǎn)生了寬達(dá)1 mm左右的裂縫，柱體塑性鉸區(qū)混凝土保護(hù)層受壓破壞、縱筋外露，見(jiàn)圖6(a)；試件側(cè)向位移到達(dá)6Δy(位移58.8 mm)時(shí)，塑性鉸區(qū)200 mm高度內(nèi)的核心混凝土發(fā)生破壞，縱筋也發(fā)生了明顯的屈曲。承載力急劇下降，試驗(yàn)停止，見(jiàn)圖6(b)。

圖6 試件FRP-0破壞形態(tài)

對(duì)于FRP加固柱，其破壞形式基本一致。以PET-1為例，試件屈服前，當(dāng)水平荷載到達(dá)30 kN時(shí)，試件無(wú)明顯現(xiàn)象；水平位移到達(dá)1Δy(位移9.1 mm)時(shí)，在加固區(qū)域以上100 mm高度內(nèi)有水平裂縫出現(xiàn)，F(xiàn)RP布表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何變化；繼續(xù)進(jìn)行加載，試件水平位移增大，裂縫逐步向往側(cè)面延伸；水平位移到達(dá)3Δy(位移27.3 mm)時(shí)，未約束區(qū)域的裂縫向斜下方發(fā)展；水平位移到達(dá)6Δy(位移54.6 mm)時(shí)，加載柱根部50 mm高度范圍內(nèi)FRP布受壓出現(xiàn)鼓脹，隨著水平位移的增加，有環(huán)氧樹(shù)脂膠與混凝土剝離時(shí)的清脆響聲，柱子根部產(chǎn)生裂縫，見(jiàn)圖7(a)；試件側(cè)向位移到達(dá)13Δy(位移118.3 mm)后，F(xiàn)RP布仍基本完好，F(xiàn)RP布表面出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，柱腳部分與基礎(chǔ)發(fā)生分離，直至承載力下降到最大承載力85%以下，試驗(yàn)結(jié)束。破壞狀態(tài)見(jiàn)圖7(b)。

圖7 試件PET-1破壞形態(tài)

綜上所述，在較低軸壓比(0.2)和水平往復(fù)荷載的共同作用下，未加固柱的破壞形態(tài)是，試驗(yàn)過(guò)程中柱體表面產(chǎn)生交叉裂縫，塑性鉸區(qū)核心混凝土破壞掉落，縱筋也出現(xiàn)了明顯的屈曲行為；FRP加固柱的破壞形態(tài)是，試件在達(dá)到較大側(cè)向位移時(shí)，在加固區(qū)域上部產(chǎn)生細(xì)小的裂縫，混凝土裂縫的分布明顯上移，在較大側(cè)向位移時(shí)混凝土保護(hù)層基本完好，試件柱腳部分與基礎(chǔ)分離，F(xiàn)RP表面基本完好。破壞形式的改變說(shuō)明了試件在荷載作用下，混凝土內(nèi)部發(fā)生破壞，引起外包的FRP產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，對(duì)試件核心混凝土產(chǎn)生環(huán)向約束力，對(duì)混凝土的變形有一定的抑制作用。進(jìn)行到試驗(yàn)后期，試件達(dá)到較大的側(cè)向位移時(shí)，柱子受拉一側(cè)的FRP出現(xiàn)了水平裂縫。

2.2 滯回曲線

各試件的滯回曲線見(jiàn)圖8(a)～(g)。圖8(h)～(k)展示了不同工況組合時(shí)滯回曲線的對(duì)比。由圖8可知，未加固柱的滯回曲線呈現(xiàn)為弓形，但飽滿程度較低，可以觀察到有明顯的“捏縮”效應(yīng)。與未加固柱相比，F(xiàn)RP加固柱的滯回曲線更為飽滿，達(dá)到峰值荷載以后承載力下降較為平緩。加固件的極限水平位移與未加固件相比也有較大的提高，說(shuō)明加固后試件的延性有所增強(qiáng)。加固柱的極限承載力相比于未加固件也均有提高。從對(duì)比圖中可以看出，1層CFRP與1層PEN FRP的滯回曲線十分接近，這是因?yàn)閮烧叩募s束剛度數(shù)值(FRP約束剛度大小為厚度與彈性模量的乘積)十分接近。曲線沒(méi)有體現(xiàn)出PEN FRP的高延性優(yōu)勢(shì)，這可能是因?yàn)樵谳^低軸壓比作用下，塑性鉸區(qū)截面的受壓面積較小，導(dǎo)致FRP的約束效果并沒(méi)有很好地發(fā)揮出來(lái)。

圖8 試件滯回曲線

2.3 骨架曲線與延性分析

表4為試件的部分試驗(yàn)結(jié)果。由于試驗(yàn)過(guò)程中除未加固柱外，其他加固柱均未發(fā)生嚴(yán)重破壞，所以取承載力下降至峰值荷載的85%作為極限荷載。各試件的骨架曲線見(jiàn)圖9。結(jié)合表4及圖9可知：隨著FRP層數(shù)的增加，試件的峰值荷載和極限位移均有所增加。加固件PET-1、PET-2、PET-3、PEN-1、PEN-2、CFRP-1的峰值荷載提高幅度分別為9.1%、8.2%、8.3%、5.5%、8.3%、5.0%；極 限位移分別提高了38.4%、62.5%、67.5%、47.6%、57.7%、36.4%，位移延性系數(shù)分別提高了57.9%、94.1%、63.0%、73.4%、94.0%、44.2%，由此可以看出FRP加固會(huì)明顯改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

圖9 試件骨架曲線

2.4 耗能

由圖10可知，F(xiàn)RP加固試件最終破壞時(shí)消耗的總能量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了未加固柱消耗的總能量，這是因?yàn)橄啾扔谖醇庸讨?，F(xiàn)RP加固柱的極限位移明顯提高，延性得到了明顯改善。在累積了相同級(jí)別的屈服位移圈數(shù)時(shí)FRP加固柱累積耗能也依舊大于未加固的試件。

圖10 耗能面積對(duì)比

2.5 剛度退化

圖11為各試件的剛度退化曲線，表5為初始剛度計(jì)算值。由圖11和表5可知：采用FRP進(jìn)行加固的墩柱和對(duì)比柱的剛度變化規(guī)律基本一致，即隨著位移的增加試件剛度下降，且在達(dá)到其峰值荷載前變化速率快，達(dá)到峰值荷載后變化速率慢；FRP加固柱的初始剛度均有所提高，且隨著FRP層數(shù)的增大初始剛度也隨之增大。

表5 計(jì)算剛度

圖11 剛度退化曲線

2.6 曲率

圖12給出了試件在不同屈服位移倍數(shù)(即1δy、3δy、5δy、7δy、9δy、11δy和δu)下沿柱高的曲率分布變化。和預(yù)期相同，由于RC柱的旋轉(zhuǎn)，試件在柱底出現(xiàn)了較大的曲率。觀察到的塑性鉸區(qū)高度約為300 mm，略大于鋼筋混凝土柱的邊長(zhǎng)。其中未加固柱在250 mm處的曲率略大于其他加固柱，這是因?yàn)槲醇庸讨谠囼?yàn)后期發(fā)生了嚴(yán)重的混凝土保護(hù)層剝落和鋼筋屈曲，導(dǎo)致位移計(jì)讀數(shù)增大。試件PEN-1由于位移計(jì)在試驗(yàn)過(guò)程中意外卡住，未能得到其曲率圖。

圖12 試件曲率分布

2.7 FRP布應(yīng)變

圖13給出了試件加載過(guò)程中FRP的環(huán)向應(yīng)變分布。其中SG9即代表應(yīng)變片9，應(yīng)變片分布見(jiàn)圖5。從圖13可看出，試驗(yàn)過(guò)程中FRP基本表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，且隨著水平位移的增加，6個(gè)試件的FRP應(yīng)變都逐漸增大；試件達(dá)到極限位移時(shí)6個(gè)加固柱的FRP環(huán)向應(yīng)變都比較小，其中CFRP為0.32%，PET FRP為0.3%，PEN FRP為0.45%，遠(yuǎn)未達(dá)到其在軸壓試驗(yàn)中的斷裂應(yīng)變(CFRP為0.59%[23]，PET為7.24%，PEN為3.83%[24])。這是由于柱子的軸壓比較小，柱截面受壓程度較弱，使得FRP發(fā)揮作用較小。

圖13 FRP應(yīng)變分布

3 OpenSees數(shù)值模擬

在OpenSees軟件中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬。建立有限元模型的細(xì)節(jié)如下：?jiǎn)卧捎梅蔷€性梁柱單元，沿柱高度劃分3個(gè)節(jié)點(diǎn)2個(gè)單元，以區(qū)分FRP加固區(qū)和未加固區(qū)，并將底部節(jié)點(diǎn)固定，每個(gè)單元布置4個(gè)高斯積分點(diǎn)。截面劃分為混凝土纖維和鋼筋纖維，其中混凝土截面采用16個(gè)徑向分區(qū)和16個(gè)切向分區(qū)。在FRP加固截面中，與FRP相比，箍筋對(duì)混凝土的約束效果小，故忽略箍筋的作用。其中混凝土受壓部分采用Teng等[25]在OpenSees二次開(kāi)發(fā)的FRP約束混凝土模型“FrpConfinedConcrete”，并結(jié)合了Bai等[7]提出的基于剛度的高延性FRP約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)模型；受拉部分則基于Yassin[26]的模型。對(duì)未加固截面，基于Mander等[27]的模型將截面劃分為約束核心混凝土和無(wú)約束保護(hù)層混凝土兩部分，在Concrete02中來(lái)實(shí)現(xiàn)。鋼筋采用ReinforcingSteel模型。

圖8(a)～(g)為模擬結(jié)果與試驗(yàn)曲線的對(duì)比，可以看到模擬結(jié)果的骨架曲線與試驗(yàn)曲線較為吻合，其中試驗(yàn)滯回曲線表現(xiàn)出了不同程度的不對(duì)稱現(xiàn)象。

由圖8(a)可知，未加固柱在模擬中考慮縱筋屈曲影響后結(jié)果更為準(zhǔn)確。而在加固柱的模擬中不考慮縱筋屈曲也能與試驗(yàn)結(jié)果很好地吻合，這說(shuō)明在0.2的軸壓比下，即使只加固1層PET FRP(彈性模量與厚度乘積最小)，也可以明顯地抑制和減小鋼筋的屈曲現(xiàn)象。這與白玉磊等[28]的分析是一致的，即FRP加固為試件提供了額外的環(huán)向約束，當(dāng)混凝土向外膨脹以及縱筋發(fā)生屈曲時(shí)，就會(huì)激活FRP的約束作用，抑制混凝土的膨脹及縱筋的屈曲。在對(duì)CFRP加固柱的模擬中，模擬曲線并未達(dá)到試驗(yàn)的極限位移，這是由于CFRP斷裂使得約束混凝土達(dá)到了極限應(yīng)變。而試驗(yàn)中CFRP并未斷裂，原因是在擬靜力試驗(yàn)中，F(xiàn)RP約束混凝土?xí)幱谄氖軌海@種情況下混凝土的極限應(yīng)變一般會(huì)大于軸心受壓下的極限應(yīng)變，造成模型低估了FRP約束混凝土的極限應(yīng)變。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)7個(gè)FRP加固鋼筋混凝土方柱進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，分析并討論了不同加固參數(shù)下試件的破壞現(xiàn)象及抗震性能參數(shù)，主要結(jié)論如下：

1)在軸向荷載及水平往復(fù)荷載共同作用下，未加固柱的破壞現(xiàn)象是核心混凝土壓壞破碎，縱筋也發(fā)生了明顯的屈曲；FRP加固柱的試驗(yàn)現(xiàn)象是根部加載面產(chǎn)生拉裂縫，混凝土表面裂縫上移，混凝土保護(hù)層沒(méi)有產(chǎn)生明顯破壞，F(xiàn)RP出現(xiàn)水平分層裂縫，整體基本完好。采用FRP對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固后成功改變了其破壞形態(tài)和破壞位置。

2)試驗(yàn)中FRP應(yīng)變均較小，遠(yuǎn)未達(dá)到其在軸壓試驗(yàn)中的斷裂應(yīng)變，說(shuō)明其對(duì)混凝土強(qiáng)度的提升程度不大，但FRP加固顯著提高了鋼筋混凝土方柱的延性和耗能，并且有效防止了塑性鉸區(qū)混凝土的剝落。結(jié)合其斷裂應(yīng)變大、彈性模量低的特點(diǎn)，高延性FRP更適用于那些亟需提高抗震延性的結(jié)構(gòu)。

3)與未加固柱相比，F(xiàn)RP加固為試件提供了額外的環(huán)向約束，當(dāng)縱筋發(fā)生側(cè)向屈曲時(shí)，就會(huì)激活FRP的約束作用，減緩縱筋應(yīng)變的發(fā)展，抑制縱筋的屈曲，極大地改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4)在OpenSees中基于前人二次開(kāi)發(fā)的模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明模型能較好地反映LRS FRP加固RC柱的抗震性能。